中國鐵路隧道勘察技術的發展與展望

杜宇本， 蔣良文， 陳明浩， 王哲威

(1. 西南交通大學地球科學與環境工程學院， 四川 成都 611756； 2. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

隧道是一種修建于地下巖土體中的工程構筑物，按功能可分為交通、水工、市政、礦山、軍事隧道，是人類開發利用地下空間的一種形式。鐵路隧道勘察技術是隧道工程技術的重要組成部分，是制約和控制隧道建設技術水平的因素之一。21世紀以來，鐵路隧道勘察技術得到了快速發展，在充分利用航空、航天遙感圖像資料和區域地質資料進行地面地質調查測繪的基礎上，合理使用鉆探、物探、原位測試等各種勘察手段，針對鐵路隧道不同地形、地質條件和不同的工程地質問題及勘察階段技術要求，以最佳的勘察方法組合模式實現一體化綜合勘察。隨著中國鐵路隧道的建設，特別是西部地區以川藏鐵路為代表的重大鐵路工程的實施，深埋長大隧道數量越來越多，規模越來越大，加之西部地區復雜的地質條件，隧道地質勘察工作面臨著前所未有的挑戰。同時，隨著大數據、人工智能、5G技術的迅猛發展，在機械化與信息化高度融合的基礎上，亟需發展具有自感知、自學習、自決策、自實施功能的智能化勘察技術。諸多專家和學者對鐵路隧道勘察技術進行了探討和實踐，促進了中國鐵路隧道勘察技術的進步與發展，但相關報道多針對某一具體隧道工程或某類勘察技術進行研究和應用，而針對中國鐵路隧道綜合勘察技術的發展過程及趨勢討論的文獻相對較少。因此，本文通過回顧鐵路隧道勘察技術的發展歷程，分析隧道勘察技術的發展現狀和面臨的挑戰，并提出隧道勘察技術的發展方向。

1 中國鐵路隧道勘察技術發展歷程

古代的隧道建造根據建設者的經驗積累，沒有單獨進行隧道地質勘察工作。自20世紀50年代起，中國才正式開展隧道地質勘察工作。新中國成立后，勘察方法逐漸豐富，勘察技術愈發成熟，綜合分析日臻完善，為隧道建造提供了有力的技術支撐。

1.1 起步階段

為20世紀50年代。新中國成立后，自1953年開始在鐵路正式開展工程地質工作，但當時由于鐵路工程地質工作處于起步階段，機構體制不健全，規章制度不完善，機具、儀器設備短缺，技術水平低，只能邊干邊摸索。1955年以后，隨著勘察機具如機動鉆機、人力鉆機、電測深、電測剖面、電阻法測井和自然電位測井等物探設備的增加，遙感地質工作開始起步，航測技術開始用于鐵路越嶺地段選線。該時期勘察工序、測繪方法、操作規程、勘測資料內容、檢查驗收等逐步進入正軌，廣大地質專業人員的技術和業務水平有了較大程度的提升[1]。

在20世紀50年代的隧道工程地質勘察、設計和施工中，解決了許多復雜的工程地質問題，且積累了較豐富的隧道工程地質勘察經驗和教訓。然而，受制于當時的技術條件，鐵路選線側重于考慮地形條件，修建的山區鐵路隧道多為沿河傍山的短隧道群，越嶺地區選線為了縮短隧道長度，以低埡口穿越為首選方案，這些地區多是地質條件較差的地段，給隧道施工及運營留下了隱患。

1.2 發展階段

為20世紀60—70年代。在這一時期的鐵路建設中，逐步認識到地質工作的重要性。西南川黔、貴昆、成昆三大鐵路干線的建設，使隧道數量猛增，迎來了隧道建設的大發展。隧道勘察開始重視越嶺隧道方案的比選，地震勘察廣泛應用于鐵路隧道勘察中。為查明鐵路通過地區的工程地質條件，選好線路方案，采用地質調繪、鉆探、挖探、物探、水土試驗相結合的方法，為隧道工程設計提供成套的地質資料，并組織地質工作者參加施工，與施工人員一起解決施工中出現的各種工程地質問題?？辈祀A段在查明洞身工程地質條件的同時，對洞身涌水也進行了簡單的水文地質計算，但因勘察資料、計算參數及計算公式都存在一些問題，計算結果與實際出入較大。

1.3 技術突破和創新階段

為20世紀80年代后。這一時期的隧道地質勘察積極引進國外新技術，掌握新手段，將地質力學、環境工程、數學地質、模糊數學、電子計算機等技術應用于鐵路隧道工程的勘察設計中，在鐵路工程勘察設計和施工中不斷總結，形成了隧道鉆爆法、TBM施工地質勘察成套技術，鐵路隧道勘察和建造取得了技術突破和理論創新。該時期重視隧址的選擇，開展地質復雜地區及越嶺地段的隧道方案比選工作，形成了高烈度地震區、活動斷裂帶、高地溫、凍土、黃土等復雜地形地質艱險山區及海底隧道防災減災選線成套技術。地質勘察普遍采用“空天地”一體化綜合勘察，并針對重難點地質問題開展專項地質勘察。在設計方面，從單一功能設計發展到綜合功能設計，進一步完善了隧道支護理論與方法，提高了支護的合理性與有效性。在施工方面，形成了超前地質預報、施工作業、監控量測的隧道施工綜合技術體系，成功地解決了隧道施工中面臨的各種地質問題，打通了一座又一座工程艱巨、技術復雜的隧道[2]。

2 中國鐵路隧道勘察技術發展現狀

隨著科學技術的發展，遙感、物探、鉆探、測試等技術和設備發展迅速，相繼從國外引進并開發一批先進的、數字化的高分遙感、物探、鉆探、挖探、原位測試技術及室內試驗儀器設備，計算機技術在數據采集、處理和制圖等方面的廣泛應用，促進地質勘察技術發生全新改觀，鐵路地質工作的主要勘察手段有了較大的變化。鐵路工程地質工作者進行了長期的、艱苦的努力，打破了傳統的以地面調繪和鉆探為主的勘察技術模式，采用不同階段隧道工程“空天地”一體化綜合勘察技術，逐步形成了標準化的組合模式和工作程序，促進了新技術方法的有效應用，從整體上提高了鐵路隧道地質勘察的質量和效率。

2.1 遙感技術

隧道勘察的首要工作是遙感地質解譯。鐵路遙感技術(航天遙感和航空遙感)的應用緊密結合鐵路建設的實際，遙感解譯成果直接為鐵路勘察設計服務。通過生產實踐，遙感片種從原來的黑白航空像片，發展到利用各種航空遙感圖像和高分辨率航天遙感圖像相結合，以及雷達遙感圖像的處理和解譯；應用范圍從初期的僅應用于鐵路線路前期方案研究，發展到應用于隧道工程施工和運營階段；解譯方法從目視定性解譯、靜態解譯，發展到計算機自動分類、定量解譯，以及靜態解譯和動態解譯相結合的解譯方法[3-5]。

2.2 工程地質調繪

工程地質調繪是隧道勘察的基礎和重點，隧道勘察的各個發展階段均較重視地質調繪工作?，F階段除采用傳統的野外地質調繪方法外，在高寒缺氧、地形陡峻、人員不能到達地段，結合高分無人機測繪、三維激光掃描等新技術進行地質調繪，保證了地質調繪的質量，提高了工作效率。

2.3 工程物探技術

現用于隧道地質勘探的物探方法幾乎包括目前工程物探所有常用的方法，隨著物探設備和解譯技術的發展，物探技術日新月異，已成為隧道勘察的重要組成部分。每種物探方法各有自己的特點，在一定的環境條件下，可以解決特定的地質問題[6]。針對特殊或復雜地質問題，往往采用2種或2種以上的物探技術進行綜合分析[7]。

在高寒缺氧、地形陡峻、人員難以到達的線位進行地面物探的隧道，如川藏鐵路部分越嶺隧道，航空電磁法在探測斷層、主要巖性界線、破碎軟弱或富水巖體的埋深和規模、線路方案比選等方面發揮了不可替代的作用，取得了較好的勘探效果。

2.4 鉆探技術

鐵路隧道勘察鉆探隨著鉆探設備和技術的發展在不斷地突破和創新。鐵路隧道勘察鉆探技術大致經歷了常規鉆探—繩索取芯鉆探—定向繩索取芯鉆探技術發展階段。近年來，鉆探設備除采用常規的立軸式鉆機外，還引進了動力頭式鉆機，鉆探設備不斷更新，鉆探工藝水平不斷提高，孔深超過1 500 m的定向鉆探設備和技術的采用，適應了隧道勘察中各種地質條件下的鉆探工作，破解了勘探技術難題。

2.5 原位測試技術

原位測試可獲取隧道洞身圍巖的物理力學指標、水文地質、波速、放射性、水溫、地應力、有害氣體參數等，常用的測試方法有綜合測井，地應力、有害氣體測試，水文地質試驗等。結合隧道勘察鉆探技術的發展和創新，在小孔徑、定向鉆孔內開展原位測試的技術和設備也取得了發展和創新。

2.6 巖土試驗與測試

巖土試驗工作是從根本上保證巖土工程設計的精確性、代表性以及經濟合理性的重要手段。巖土試驗與測試的設備和測試技術，伴隨著隧道建設取得了突破和創新。試驗項目從最初的僅限于水、土、砂、石4大類126項，發展到現在的300多項，測試成果能滿足設計要求。深埋隧道受多場耦合環境影響，工程巖體力學響應復雜多變，探究了熱-水-力耦合環境下巖石、結構面的力學特性，考慮多場耦合復雜環境對巖石與結構面參數影響的權重和力學參數的修正方法。

2.7 超前地質預報技術

隧道超前地質預報是隧道施工的工序之一。采用地質調繪、物探、鉆探等綜合方法，探測隧道開挖面前方的地質情況，規避施工安全風險。中國鐵路隧道超前地質預報工作始于20世紀50年代末，經過60多年的發展[8]，形成了鐵路隧道超前預報技術體系，取得了超前地質預報設備和探測技術創新與發展。

2.8 勘察資料綜合分析

逐步形成將地質調繪、遙感圖像地質解譯及各類物探、鉆探、原位測試、巖土試驗、超前地質預報成果資料進行分類匯總，采用定性和定量相結合的綜合分析方法。巖土的物理力學指標按同類地質條件或同層位進行數理統計，巖土參數根據隧道特點、參數類型、設計要求綜合確定，并評價其可靠性和適用性。

2.9 綜合勘察技術體系

為適應中國復雜的自然條件和不斷提高的技術標準，鐵路工程地質工作者經過長期的、艱苦的努力，打破了傳統的以地面調繪和鉆探為主的勘察技術模式，發展為充分利用航天、航空遙感技術進行地質測繪，綜合應用物探、鉆探、挖探、測試、室內試驗等多種勘探手段，針對不同地形、地質條件、工程設置、勘察階段的技術要求，以最佳的勘探方法組合模式和工作程序，將取得的地質資料相互驗證、取長補短，并在地質資料整理過程中采用綜合分析方法，使獲得的地質資料更加全面、準確，以最少的勘察工作量達到最佳的勘察效果，從整體上提高隧道地質勘察的質量和效率。隧道綜合地質勘察技術體系如圖1所示[9-10]。發展和創新綜合勘察技術，已成為鐵路系統工程地質勘察的原則和發展方向。

圖1 隧道綜合地質勘察技術體系

3 中國鐵路隧道勘察技術面臨的新挑戰

隨著中國經濟的發展，隧道建設重點向地形地質條件復雜的西部山區和巖溶地區轉移，高海拔、高烈度地震區、大埋深超長鐵路隧道將越來越多。特別是剛剛開工建設的川藏鐵路雅安至林芝段，分布有72座隧道，隧道總長約840 km。其中，長度在20 km以上的隧道有16座，長度在30 km以上的隧道有6座，最長的隧道超過40 km，埋深超過1 000 m的隧洞段長610 km[11]。隧道位于印度板塊與歐亞板塊強烈擠壓的橫斷山區，新構造運動強烈，地形地質條件極端復雜，隧道建設將要面臨的活動斷裂、硬巖巖爆、軟巖大變形、高地溫、超高壓涌突水等不良地質問題十分突出。由于跨區域交通的需求，東部地區正在建設或者規劃跨海隧道或越江隧道工程，如正在建設的珠江口水底隧道，汕頭灣、甬舟海底隧道，正在規劃的瓊州海峽、渤海海峽、臺灣海峽跨海通道等，超長深水跨海鐵路隧道的勘察技術亟需取得突破。相對于隧道鉆爆法施工，全斷面硬巖隧道掘進機TBM施工方法具有掘進速度快、施工擾動小、成洞質量好、綜合經濟社會效益高等顯著優勢，隨著鉆爆法人力成本的快速增加，未來中國將越來越多地采用掘進機進行施工。鑒于隧道建設的現實需求和現有的勘察技術水平，隧道勘察技術面臨的挑戰主要有：

1)在高海拔、大高差、地形陡峻、交通困難、勘探設備甚至技術人員難以到達的位置，隧道工程物探技術取得了長足進步，宏觀或部分解決了一些工程地質問題，但物探與隧道工程勘察設計所要求的精度還有較大差距。隨著隧道埋藏深度的逐漸增加，地表常規勘察技術手段有待提升，對于埋深在2 000～3 000 m以及高地應力、高水壓條件下的隧道工程，尚缺乏適宜的勘探測試設備。

2)鐵路進入城市后，隧道埋深變淺，周邊環境復雜，沉降控制要求高，工程和水文地質條件較差，多采用盾構法施工。采用TBM法施工是深埋山嶺隧道和跨海隧道的發展趨勢，相對于常規的隧道鉆爆法，TBM法和盾構法對勘察成果的精度要求更高。

3)大埋深超長隧道地質條件復雜，洞身工程地質問題難以査清，隧道施工期間洞內塌方、涌水、涌泥、巖爆、瓦斯爆炸等災害時有發生，想要對隧道掌子面前方地質條件進行及時準確的預測評估，具有一定的難度。

4)對遙感、物探、鉆探等勘探資料的解譯水平還比較低，提取地質信息的手段還較為落后，從而導致勘察資料的利用率較低。

5)高速鐵路多采用無砟軌道，其能否高效運營取決于軌面平順性，而控制基底變形是保證無砟軌道軌面平順性的關鍵。近年來，已有至少9座鐵路隧道在運營階段發生了底鼓問題，且隧道所處環境較施工前發生了巨大變化，需研究隧道圍巖原位關鍵地層信息、原位巖體力學參數、原位硬巖或破碎軟弱巖體擾動應力及原位巖體結構精細勘察技術，從而揭示其上拱變形機制，并提出技術可靠、經濟合理的防控措施。

4 中國鐵路隧道勘察技術展望

4.1 高海拔、大埋深、復雜地質超長鐵路隧道勘探方法及設備發展

隨著西部地區鐵路建設規模的逐年加大，特別是川藏鐵路雅安至林芝段的開工建設，使隧道勘察工作面臨著前所未有的挑戰，要求在工作過程中不斷探索新技術和新手段。航空物探技術通過航空飛機發射和接收電磁波，探測地下一定深度范圍內的各項電磁特性，最大有效探測深度可達地下2 000 m，主要用于判釋高寒、高海拔無人區山體的構造破碎帶、地層界線、節理密集帶、蝕變帶、富水帶、軟弱巖體等工程地質特征。(千米級)超深定向鉆探技術用于山高谷深、雪山密布、施工地點海拔較高、大型鉆探設備不具備到達條件的地段，突破“點”勘察為“線”勘察。其他諸如勘探區域廣、探測深度大、裝備輕便、外業效率高的廣域電磁法、井地時頻電磁法、三維地震精細勘探等新型物探技術。

4.2 TBM或盾構法施工隧道、水下隧道勘察技術發展

隧道多采用鉆爆法施工，但隨著技術的不斷進步，使用全斷面掘進機施工的隧道工程越來越多，在按常規施工方法(鉆爆法)進行勘探測試工作以外，還要結合全斷面巖石掘進機選型、設計和施工效率等方面的特殊要求[12]，為巖體的完整程度(裂隙化程度)、巖石的磨蝕性等所需的地質參數開展新型勘探和測試技術研究。水下和城市鐵路隧道應加強水文地質條件勘察，提供不同工法(鉆爆法、盾構法、TBM法、沉管法和堰筑法)所需的參數[13]，為建設方案比選提供依據。水下隧道由于上部覆蓋水體，給地質勘察工作帶來較大難度，現場測試勘探技術還需進一步創新，如水域地段采用沿隧道軸線的長距離水平鉆孔勘探，以及利用地質導洞進行現場試驗等方法。

4.3 鐵路隧道深部巖體數字化原位測試技術發展

針對鐵路隧道深部巖體力學參數原位測試與解譯難題，以原位測試技術及裝備研發為關鍵手段，融合人工智能，開展深部巖體工程力學參數解譯技術研究。主要為基于隨鉆關鍵參數自動采集的巖體力學參數智能分析系統、深部巖體力學參數原位數字化測試技術與設備、深埋隧道硬巖擾動應力場原位測試及長期監測技術、深埋隧道破碎軟弱巖體地應力原位測試方法與技術、深埋隧道巖體結構原位識別與體視學數字重構等研究，以精準獲取隧道圍巖原位工程力學參數。

4.4 鐵路隧道超前地質預報技術發展

超前地質預報是隧道施工中必不可少的環節，可提前采取預防措施，保證隧道施工安全。鐵路隧道超前地質預報今后發展的重點和趨勢主要為： 極端復雜環境下機載式激光雷達及移動終端等設備，重點突破隧道高粉塵、弱光源、掌子面平整度差對數據干擾的難題，實現隧道開挖面地質體高精度圖像獲取、節理裂隙智能識別及構建；隧道施工定量化超前預報理論與技術；TBM施工隧道超前地質預報技術與裝備；隨鉆或鉆孔精細超前探測理論與技術；實時超前地質預報與施工災害監測技術[14]等。

4.5 鐵路隧道信息化、智能化勘察技術亟待提高

目標為逐步通過三維地質BIM技術將多源異構勘探測試數據及成果集成顯示及可視化，實現智能遙感、智能物探、智能鉆探，從而提高勘察效率和水平，保證勘察質量。

1)智能遙感。研究跨域聯合深度學習驅動的地質災害隱患分析方法，在系統分析地質災害成因機制和模式的基礎上，建立多源多模態地質災害監測數據與數據之間、數據與地質災害形變位移演化機制知識之間的跨域聯合，并在深度學習框架下，構建能將兩者有機融合的地質災害隱患深度網絡模型，實現跨域聯合、深度學習驅動、漸精漸優的地質災害隱患早期智能識別。

2)智能物探。針對物探資料分析解釋中面臨的海量數據、多源數據、多解性、主觀性等技術難點和挑戰，應用機器學習，尤其是深度學習新技術進行物探資料的分析與解釋，擺脫或降低對人工經驗的依賴，克服人工解釋的主觀性，改善人工解釋的低效率，提升資料解釋的客觀性、可靠性、適應性和工作效率。

3)智能鉆探。選擇鉆孔圖像特征分析與結構面挖掘建模作為突破點，針對利用數字式鉆孔攝像系統獲取的鉆孔圖像，尋找出新的特征信號來描述鉆孔圖像中的結構面信息，合成一種新的、便于計算機處理的分塊信號，開展機器學習及圖像分割技術，實現鉆孔圖像結構面形態特征的判讀和幾何參數的區域劃分與預測。通過隨鉆傳感器，獲取γ成像(地層巖性)、地層壓力、溫度、有害氣體等參數，實現智能探測孔內地質參數及分析的目的。

5 結論與體會

通過回顧中國鐵路隧道勘察技術的發展與歷程，總結隧道勘察技術面臨的新挑戰，并展望隧道勘察技術的發展方向。

1)中國鐵路隧道勘察技術初步建立了完備的綜合勘察技術體系，使獲得的隧道地質資料更加全面、準確，以最少的勘察工作量達到最佳的勘察效果，以查明隧道工程地質條件，優化線路方案，科學、可靠地支撐隧道工程設計與施工。

2)鐵路隧道超深定向鉆探、航空物探、深部巖體數字化原位測試、超前地質預報等勘察技術將朝著更加廣域、高效、精準、智能的方向發展，針對特長隧道、深埋隧道、高海拔隧道、大斷面隧道、特殊工法隧道、水下隧道、不良地質隧道，構建“空天地”一體化綜合勘察技術體系，提高勘察效率和勘察精度。

3)勘察裝備的發展方向是如何讓設備更加輕便，功能更加齊全，數據采集和處理分析更加數字化、信息化、智能化，以便更好地滿足中國今后各類鐵路隧道建設的需要。